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1、山西广播电视大学传感器原理与应用课程设计设计题目：全电子式汽车仪表总成设计专业:机械制造及自动化学生姓名:靳利铭 学 号:10140001252966起迄日期:2012年10月22日 2012年11月5日指导教师:全电子式汽车仪表总成设计一、目的同学们学过传感器原理及应用课程后，已初步了解了常用传感器的工作原理、 特点等理论知识，但还缺乏实际设计应用的能力。今安排的课程设计一一汽车仪 表总成，是一种把汽车上所有测量仪表总装在一起，集中向驾驶员提供各种驾驶 信息的仪表板。选择这个课题，不仅因为这里检测的参数，正是许多其它工业测 控中最常用到的温度、压力、液位、速度、大电流等参数，具有代表性、综合
2、性， 可以培养我们的实际工作能力；而且因为全电子式仪表具有一定的先进性，它代 表了当前汽车仪表的发展方向，可以培养我们的研发能力。传统汽车仪表属机电 热力式仪表，其体积大、功耗大而寿命不长，故正朝电子化，微机化方向迅猛发 展。希望同学们能在设计过程中学会从工程角度思考问题，熟悉本专业领域 的传感器产品，学会对产品传感器的正确接口、信号调理、线性化、校准及常用 的电子显示/报警方法。二、设计资料1. 按任务书要求查阅传感器资料。2. 重点学习一种汽车专用IC （也可广泛用于家电等）LM3914的内部结构 原理，考虑如何用普通运放LM324仿制和用EWB仿真。3. LM3914的典型用法：A. 固
3、定增益（1.2V满量程）的最简单用法一一只需外加一只电阻。B. 改变增益（最大可提高到200mV满量程）的方法内1. 2V分压后 作基准电压。C. 闪烁报警方法一一看发放的资料。三、设计内容和步骤本课程要求同学从图一汽车仪表总成图中的二组仪表中各任选一半（即三只 表），将其改进设计为全电子式的仪表。其中车速-里程表任务属于数字仪表设计训练，只要求考虑一种老师建议的 系统方案，要求通过查找IC手册，把完整详细的电路图画出来，讲清工作原理， 进行必要的计算即可。不仿真、不制作，只作理论设计。组合仪表任务属于模拟仪表设计训练，这是传感接口技术中最重要的基本功， 故要求任选二只表进行详细的EWB仿真设
4、计和实际制作（每组同学可共同制作一 只或二只表），记下调试数据！进行结果误差分析。每只表都要讨论二种以上的 设计方案，但只选择一种性价比最高的方案进行设计、仿真和制作。报告一律用 五号字体WORD打印，一般6页左右即可。要特别注意传感器的选择。作为产品设计方案应优选当前市售商品，但本实 验设计允许选用简易元件（如PN结二极管，普通热敏电阻等，具体见下提示）， 以便实验室仿真和制作。你若对产品设计饶有兴趣，可在“方案讨论”中讨论一 下即可。最后的“发挥题”仅供思考，可与教师讨论，但不写入报告。图一全电子式汽车仪表总成基本组成四、设计进度安排（明确时间、地点）查阅并自学常用汽车传感器资料一一1天。
5、至少要查到转速、油量、油压、 温度传感器各二种类型以上，并记录其原理、特点及典型应用方法。查阅/自学ic资料和大电流检测方法并初拟各表的实现方案一一1天。至少 要查到LM2917频率-电压转换器，LM3914点/条状LED显示驱动器、LM324单电 源四运放、CD4040十二位二进制串行计数器、ICM7225四位半LED数码管的脉 冲计数/译码/驱动器、7805三端稳压器、7660负电压产生器，大电流检测的四 端点电阻采样法、霍尔效应法。三只表的详细电路图设计一一3天。计算机仿真2天制作调试3天撰写设计报告一一4天。平时一定要注意搜集/记录资料，设计计算、实测 数据不可缺少。五、设计成果（一）
6、设计方案一、车速表只要求考虑如下一种系统方案，要求通过查找IC手册，把完整详细的电路图画 出来，讲清工作原理，进行必要计算即可。不仿真、不制作。图二车速表原理图传感器概要：选用SZMB5型磁电式转速传感器，配合高为900mm的轮胎时，其特性为每转 输出60个正弦波（幅度300mv，但不稳定），故车速0100km/h时，对应输出 0589.2Hz近似正弦波。计算提示：先求出最大车速100km/h时，传感器输出信号的频率fi；LM2917 的输出公式：Vout二Vcc.R1.C1.fi二、里程表也不仿真和制作。车速表和里程表应共用一个SZMB5型磁电式转速传感器，以降低成本.注：为防止掉电而丢失里
7、程数据，需选用有记忆功能的机械计数器，如青岛海泰电 气股份公司的876-I（II、III）型六位电磁计数器，它不带回零装置，可防止篡改。计算提示：先求900mm的轮胎周长C，再求脉冲当量q=C/60个脉冲（二0.047167m/脉冲），由此得每100米应计数n=100/q化为二进数=100001001010 （B），由此推得对应于CD4040的脚名和脚号，进行连线。三、油量表传感器：可用电阻式油量表，它有正向和反向变化式二种。典型正向变化式特性 为油量：01/21对应输出电阻：03060。反向变化式（昌河ULG-17）油量：01/21对应输出电阻：11032.50。系统方案1直接电阻分压取样+
8、5VRs=190+1.2VRx= 060LM3914条形显示1K此法简单，但因Rs小，故非线性大，接近1LED （应自行计算分析），无法接受。系统方案2恒流源电阻取压采样此法线性及抗干扰性均好，是电阻性传感器的优选取样电路之一，故决定采用。简易恒流源参考电路:+5V R1510VR1=2 W=100 I=20mA C9012Rx=-J 060?60K +1 2V0.1 二精密恒流源参考电路:简易恒流源计算提示：1. 基极分压电阻应较小，使510上压降稳定在2V上，2. 为使Rx上能产生满幅显示所需1.2V, I=(2-0.7)V/W应为20mA条形显示器的实验制作：考虑到任务指标只要高中低三档
9、显示，故可以用一只LM324仿照LM3914 (见附录“参考资料”)自制。四、油压表系统方案：常用油压表也是电阻式的，故也有如上二种方案可选，不过因其阻值较高(185。)非线性不大，故取第一种方案一一直接电阻分压取样。传感器特性：一种典型的电阻式油压传感器的实测数据为：输入压力：0,0.5,1,1.5,2,2.5, 3,3.5,4,4.5,5 bar实际输出：10,28, 48,65,82,98,116,133,150,168,185欧姆线性输出：10,32, 45,63,80,98,115,133,150,168,185欧姆可见线性已经比较理想。+5VRx=LM3914条形显示1KRs J
10、+1.2V0185计算：5V(185)/(185+Rs)=1.2V 解得 Rs=585。条形显示器的实验制作：考虑到实验制作指标可降低到7档显示，故可以用 二只LM324仿照LM3914自制。五、水温表系统方案讨论：常用的温度传感器种类很多，如热电偶，热电阻，热敏电阻，PN结，AD590等。可考虑用热敏电阻或PN结。1. 热敏电阻方案：热敏电阻公式：Rt二Ro*expB (1/T 1/To)，B为材料常数，T为绝对温度。为克服热敏电阻低端电阻不为零的特性,宜采用电桥检测电路。(注意热敏电阻 的负温度电阻特性，应将热敏电阻放在电桥的合适部位)。为克服热敏电阻的严重非线性影响，可在其上并一只合适电
11、阻Rp=Rm(B - 2Tm)/(B + 2Tm)，其中Rm为量程中点温度处的热敏电阻阻值；B为热敏电阻的材传感器特性：RC7-1型电阻式温度传感器的实测数据为：输入温度：30 , 60 , 90, 120 , 150, 160C对应电阻：2013, 581, 205, 8540, 32。可见线性很差。计算：B=ln (R1/Ro) / (1/T1-1/To) =ln (32/581) / (1/433-1/333) =4180则得公式：Rt=581*exp4180 (1/T-1/333)由此计算得:度：输入温5060708090100 C阻：对应电857581403285205151。线性化
12、计算：采用并电阻方案 RP=Rm(B2Tm)/(B+2Tm)=338(4180 - 2*348) / (4180 +2*348) 二241。, 则 50,60,70, 80,90,100C时，对应总电阻分别为 188, 170, 151, 131, 111, 93。,由此画出曲线如下,可见线性大大改善.C2. PN结实验方案:图三PN结水温表传感器实验制作.ewb六、电流表系统方案讨论：常用的直流大电流检测主要有二种：四端电阻法和霍耳效应法。由于 前者可以 用简单结构避免不稳定的接触电阻影响，成本低，工作可靠，故选择四端电阻法。为减少能耗，应尽量减小其上的电压降。 自制大电流传感器原理：主hR
13、s约0.0024。o主电流端I取压+端Vi +取压-端Vi-r1、r2上的压降并不输入到测量放大器，而r3、r4相对测量放大器的高输入阻 抗，可以忽略，保证了测量精度。（二）设计电路一、车速表47uF 1SZMB5 型-转速传感器1CaL0.0210K 20K .+5V11 121181716151413121110LM2917* %Vi LM3914 低位2 3 4 252厂48 67_98930.02Vout,4710K200KR1调量程7805.+12VR 5E51 5L W1K181716151413121110Vi LM3914 高位6 7 4 81 II2.2K二、里程表三、油量表
14、油量表实验制作:因只要3级LED显示，故用一只LM324仿制LM3914即可。LM3914原理与仿真:9 MODidealWVidealWVidea DVidealWVidealWVidealWVidealWVidealWViLED9：100 宓vVv100 AAALED4red LEDLED3red_LED； LED2red_LEDwoo 暨LM3914Iyj 1 kQ1f:100 遂、yj|LED1 red LED四、油压表实际制作或仿真时，可用二片LM324代替LM3914，仅作7段压力显示。+5V+5V585Rx=匕0185只做传感器接口电路。五、水温表本次实验暂不做显示部分，1.热敏
15、电阻方案：+bVV1TssZ/500 M7% %Wv20 Vi+24十0.002420K20K20KVi =120mV20K766010uFK1=1羊调零5 -5V.J10uF75一跨 7K2=14100K8K510 11 12 13 14 15 16 17 181 V+ MODET47K8KVi LM3914RHVrefnNDRLVref-2 4k6-7I Rb n+1.2V六、设计基本要求（一）基本要求1. 车速表用20只LED线状显示汽车的即时行驶速度。测速范围：0100km / h每LED显示：5km/ h轮胎直径：900mm2. 里程表用数码显示所行驶的不可复位累计总路程，及可复位单
16、次小计路程。计程范围：不可复位累计总里程099999.9 km，可复位小计里程0 999.9 km 分度：以100米计数一次，即1次/ 0.1km轮胎直径：900mm3. 油量表用3只LED条状显示燃油箱中的燃油油量。测量范围：01/32/31每LED约显示：1/34. 油压表产品用10只LED条状显示发动机润滑油压力。测量范围：0.55 bar,（自制时可降低标准为7只LED,范围：0.53 bar。）每 LED 显示：0.5 bar5. 水温表用6只LED条状显示发动机冷却水温度，并以最高3只红LED作超温报警。测量范围：50C +100C每LED显示：10C左右，（注意线性化显示）。6.
17、 电流表分别用五只绿色LED和五只红色LED点状显示蓄电池充、放电流。测量范围：-50A0+50A每LED显示：10A （注意避免导线及接触电阻的影响）.（二）发挥题1. 车内外气温表 用二只二极管作自制的温度传感器和一只转换开关，以数码形 式切换显示车内外气温（-20 +50 C+/-1C）。2. 无接触（免软轴连接）式车速里程传感器及其配套表设计 软轴加工要求高且 易损坏，若改用霍耳IC片、接近开关或干簧管自制车速里程传感器，则寿命和 可靠性可大为提高。3. 自行设计一种高精度车速里程表传感器（精度不亚于10cm）注意克服负载对 轮胎外径的影响。4. 倒车防撞报警仪用超声波压电陶瓷传感器，测出物体距车尾小于1.5米时发 出声光报警，或物体距车两侧小于0.4米时发出声光报警。七、参考资料传感器与检测技术韩九强、周杏鹏清华大学出版社（2010-09出版）2008/2009传感器与执行器大全（年卷）-传感器变送器执行器著作者：中国电子学会敏感技术分会等编 出版社：机械工业出版社汽车传感器作 者：（德国）J.玛瑞克/左治江出版社：化学工业出版社 出版日期：2004-09
